【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及人工肌肉领域，尤其涉及一种基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手及毛笔书写器。
技术介绍
1、人工肌肉是一种能够模拟天然肌肉特性的软致动器，被广泛应用于制造具有更加高效自然运动形式的机器人。具有情绪反馈的人工肌肉对于机器人的智能化、人机交互的发展至关重要。虽然现有的人工肌肉材料单一指标已经能够达到甚至超过人的肌肉，但难以模仿不同情绪下肌肉状态，例如人手在放松和紧张状态下书写同一个字的笔痕是不同的，因为肌肉松紧程度的不同，其动作表达的结果有略微的差异。其中，刚度可调的柔性抓手因其结构灵活、环境适应性等特点成为仿生机器人实现更准确、多样化的动作和情绪传递的载体，但其在响应性和一体化方面仍充满挑战。
2、为了实现不同负载适应能力，同时不牺牲软致动器和机器人在机器人-物体交互过程中的顺应性，刚度可调材料被应用于柔性机器人系统，这些材料包括形状记忆聚合物(smps)，电流变材料(er)，低熔点合金(lmpas)，颗粒状或层状干扰结构，和填充电/磁活性液体的弹性体。其中，热响应smps的刚度可通过玻璃转变区域的温度来调整，从易变形的软热状态(～mpa)切换到高承载的硬冷状态(～gpa)。为实现柔性抓手稳定致动与显著的刚度调整，研究人员将形状记忆聚合物与另一种刺激响应材料相结合，通过不同热响应材料结合的方式获得的刚度可调致动器，但不可避免存在热响应时间长和低效率等问题，同时伴随结构复杂难以实现一体化，这些问题都不利于致动材料在人工肌肉领域的实际应用。
技术实现思路
1、
2、本专利技术实施方式一方面提供一种基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，所述变刚度柔性抓手包含多个刚度自适应柔性驱动器，每个所述刚度自适应柔性驱动器包括层叠设置的致动层、刚度调整层和柔性框架层，所述致动层和所述刚度调整层均为上下表面涂覆有柔性电极的复合介电弹性体薄膜，所述柔性框架层为最外层，用于调节所述刚度自适应柔性驱动器的弯曲度；所述致动层和所述刚度调整层分别与外部电源连接，通过调节施加在所述致动层和所述刚度调整层的电压与频率，实现柔性抓手的致动位移与刚度的一体化变化。
3、进一步的，所述复合介电弹性体薄膜为包含有巨电流变颗粒的硅橡胶弹性体预聚物制得的薄膜，其中，所述巨电流变颗粒为由共沉淀法制得的碳量子点改性得到的尿素包裹的钛氧基草酸钡颗粒，所述巨电流变颗粒与二甲基硅油按质量比为4:1至1:1混和成悬浮液，所述悬浮液与硅橡胶混合物混合制得所述硅橡胶弹性体预聚物，所述巨电流变颗粒占所述硅橡胶弹性体预聚物的质量比为5-50％。
4、进一步的，所述致动层的复合介电弹性体薄膜中的所述巨电流变颗粒占所述硅橡胶弹性体预聚物的质量比为20-25％。
5、进一步的，所述致动层包含至少2层所述复合介电弹性体薄膜。
6、进一步的，所述刚度调整层的复合介电弹性体薄膜中的所述巨电流变颗粒占所述硅橡胶弹性体预聚物的质量比为40-45％。
7、进一步的，所述致动层的复合介电弹性体薄膜的厚度为0.2mm-0.7mm，所述刚度调整层的复合介电弹性体薄膜的厚度为0.8mm-1.2mm。
8、进一步的，所述刚度调整层和所述致动层的协同刚度变化范围为16.4～30.4mn/mm。
9、进一步的，所述致动层和所述刚度调整层的复合介电弹性体薄膜通过硅胶粘附形成整体，所述柔性框架层粘附在所述刚度调整层上。
10、进一步的，在所述刚度调整层施加电压，则在所述致动层和所述刚度调整层产生致动性耦合；
11、在所述致动层施加电压，则在所述致动层和所述刚度调整层同时产生刚度增加效应，所述致动层的刚度增加幅度小于所述刚度调整层；
12、在所述致动层和所述刚度调整层同时施加电压，则在所述致动层和所述刚度调整层产生刚度耦合。
13、进一步的，当所述刚度调整层施加电压时的共振频率为7hz，当所述致动层施加电压时的共振频率为9hz，所述刚度调整层和所述致动层同时施加电压时的共振频率为8hz。
14、本专利技术实施方式另一方面提供一种基于上述变刚度柔性抓手的毛笔书写器。
15、本专利技术实施方式具有以下有益效果：
16、(1)通过将碳量子点改性的尿素包覆钛氧基草酸钡颗粒(巨电流变颗粒)引入到硅橡胶弹性体中，获得的复合介电弹性体薄膜同时具有高介电性能和巨电流变性能。通过调整巨电流变颗粒中的颗粒浓度实现功能转换及性能放大，颗粒浓度为20-25％的复合介电弹性体薄膜作为致动层，可获得较高的致动性：在15.6kv/mm电场下，面积应变33％；颗粒浓度为40-45％的复合介电弹性体薄膜作为刚度调整层，可获得较高储能模量增量：δg'＝1.5mpa。两个功能层的协同，使得基于该复合介电弹性体薄膜的致动器在低电场下表现出比现有的致动器具有更优秀的致动性能和电流变性能。
17、(2)基于该复合介电弹性体薄膜制备的刚度自适应柔性驱动器具有优秀的机电转换能力，可同时实现增强驱动、刚度调节能力(刚度提升2.4倍)的直接控制；并且致动层和刚度调整层两个功能层的叠加，在同时施加电压时可实现致动性和刚度变化的耦合效应，使得其致动性或刚度变化明显优于仅对单个功能层施加电压，且响应时间为毫秒级。
18、(3)基于该复合介电弹性体薄膜制备的刚度自适应柔性驱动器还具有较好的频率响应性，在一定电场下，各功能层随频率变化出现明显的位移共振区，单独的刚度调整层与致动层共振频率分别为7hz、9hz，而功能层同时施加电场时共振频率为8hz。由于耦合可以影响系统的共振性质，并引起共振频率的偏移。因此功能层的共振频率具有一定耦合相关性。
19、(4)基于刚度自适应柔性驱动器构建的一体化变刚度柔性仿生抓手及毛笔书写器，可以基于致动和刚度可调实现对毛笔的抓取和书写动作的快速响应；在同一笔画轨迹下，通过以独立或按需控制的交互方式组合电压和频率来协调致动和刚度变化响应，从而获得多种不同情绪的书法笔痕，实现书法写作中情绪表达的多样化。
20、(5)该基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手具有性能稳定性特点，该刚度自适应柔性驱动器至少在100万次驱动周期中稳定运行。
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1.一种基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，其特征在于，所述变刚度柔性抓手包含多个刚度自适应柔性驱动器，每个所述刚度自适应柔性驱动器包括层叠设置的致动层、刚度调整层和柔性框架层，所述致动层和所述刚度调整层均为上下表面涂覆有柔性电极的复合介电弹性体薄膜，所述柔性框架层为最外层，用于调节所述刚度自适应柔性驱动器的弯曲度；所述致动层和所述刚度调整层分别与外部电源连接，通过调节施加在所述致动层和所述刚度调整层的电压与频率，实现柔性抓手的致动位移与刚度的一体化变化。
2.根据权利要求1所述的基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，其特征在于，所述复合介电弹性体薄膜为包含有巨电流变颗粒的硅橡胶弹性体预聚物制得的薄膜，其中，所述巨电流变颗粒为由共沉淀法制得的碳量子点改性得到的尿素包裹的钛氧基草酸钡颗粒，所述巨电流变颗粒与二甲基硅油按质量比为4:1至1:1混和成悬浮液，所述悬浮液与硅橡胶混合物混合制得所述硅橡胶弹性体预聚物，所述巨电流变颗粒占所述硅橡胶弹性体预聚物的质量比为5-50％。
3.根据权利要求2所述的基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，其特征在于，所述致
4.根据权利要求3所述的基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，其特征在于，所述致动层包含至少2层所述复合介电弹性体薄膜。
5.根据权利要求2所述的基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，其特征在于，所述刚度调整层的复合介电弹性体薄膜中的所述巨电流变颗粒占所述硅橡胶弹性体预聚物的质量比为40-45％。
6.根据权利要求1所述的基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，其特征在于，所述致动层的复合介电弹性体薄膜的厚度为0.2mm-0.7mm，所述刚度调整层的复合介电弹性体薄膜的厚度为0.8mm-1.2mm。
7.根据权利要求1所述的基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，其特征在于，所述刚度调整层和所述致动层的协同刚度变化范围为16.4～30.4mN/mm。
8.根据权利要求1所述的基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，其特征在于，
9.根据权利要求1所述的基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，其特征在于，当所述刚度调整层施加电压时的共振频率为7Hz，当所述致动层施加电压时的共振频率为9Hz，所述刚度调整层和所述致动层同时施加电压时的共振频率为8Hz。
10.一种基于变刚度柔性抓手的毛笔书写器，其特征在于，所述变刚度柔性抓手为根据权利要求1-9任一项所述的基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手。
...【技术特征摘要】
1.一种基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，其特征在于，所述变刚度柔性抓手包含多个刚度自适应柔性驱动器，每个所述刚度自适应柔性驱动器包括层叠设置的致动层、刚度调整层和柔性框架层，所述致动层和所述刚度调整层均为上下表面涂覆有柔性电极的复合介电弹性体薄膜，所述柔性框架层为最外层，用于调节所述刚度自适应柔性驱动器的弯曲度；所述致动层和所述刚度调整层分别与外部电源连接，通过调节施加在所述致动层和所述刚度调整层的电压与频率，实现柔性抓手的致动位移与刚度的一体化变化。
2.根据权利要求1所述的基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，其特征在于，所述复合介电弹性体薄膜为包含有巨电流变颗粒的硅橡胶弹性体预聚物制得的薄膜，其中，所述巨电流变颗粒为由共沉淀法制得的碳量子点改性得到的尿素包裹的钛氧基草酸钡颗粒，所述巨电流变颗粒与二甲基硅油按质量比为4:1至1:1混和成悬浮液，所述悬浮液与硅橡胶混合物混合制得所述硅橡胶弹性体预聚物，所述巨电流变颗粒占所述硅橡胶弹性体预聚物的质量比为5-50％。
3.根据权利要求2所述的基于复合介电弹性体薄膜的变刚度柔性抓手，其特征在于，所述致动层的复合介电弹性体薄膜中的所述巨电流变颗粒占所述硅橡胶弹性体预聚物的质量比为20-25％。
4.根据权利要求3所述的基于复合介电弹性体...
【专利技术属性】
技术研发人员：巫金波，黄东阳，韩宇兵，张金仓，温维佳，薛厂，张萌颖，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：
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